DE4231702C2

DE4231702C2 - Thermoelektrische, beheizbare Kühlkammer

Info

Publication number: DE4231702C2
Application number: DE4231702A
Authority: DE
Inventors: Rolf Dipl Ing Kesler
Original assignee: Litef GmbH
Current assignee: Northrop Grumman Litef GmbH
Priority date: 1992-09-22
Filing date: 1992-09-22
Publication date: 1995-05-24
Anticipated expiration: 2012-09-23
Also published as: EP0662209A1; DE59305980D1; DE4231702A1; JP2784266B2; WO1994007094A1; US5515683A; EP0662209B1; JPH08501658A

Description

Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische, beheizbare Kühlkammer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine Vorrichtung dieser Gattung ist aus der DD-PS 0 049 626 bekannt.

Mit Peltier-Bausteinen ausgerüstete Kälteerzeuger, die bekanntlich auch in umgekehrter Richtung, d. h. sofern durch ein kammerartiges Gehäuse umgeben, auch als Wärmekammer betrieben werden können, haben gegenüber Kompressorgeräten den großen Vorteil, daß sie elektrisch sehr genau regelbar sind auf eine Temperaturkonstanz, die mit anderen Kältetechniken nicht zu erreichen ist. Peltier-Heiz-/Kühlkammern be kannter Bauart haben jedoch den Nachteil, daß der einstellbare Tempe raturbereich zu begrenzt ist und/oder daß der Aufwand für die "wegzu pumpende" Verlustleistung zu groß wird. Die in der Regel in Kaskaden anordnung verbundenen, plattenförmigen Peltier-Elemente lassen sich dann (vor allem in den Randzonen) nicht ausreichend gegen Überhitzung schützen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine thermoelektrisch be heizbare Kühlkammer zu schaffen, die sich in einem größeren Temperaturbereich betreiben läßt, ohne daß der Aufwand für die ab zuführende Verlustleistung unvertretbar groß wird.

Die Lösung dieser Aufgabe wird bei einer thermoelektrischen Heiz- oder Kühlvorrichtung gemäß der eingangs genannten Gattung durch die kenn zeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 erreicht.

Die erste und zweite Gruppe der plattenförmigen Peltier-Elemente kann jeweils in Vertiefungen einer gut wärmeisolierenden, rahmenartigen Aufnahme eingesetzt sein.

Um bei Heizbetrieb eine Überhitzung der Peltier-Kaskadenanordnung, insbesondere Temperatur-Spitzen in den Randzonen der Peltier-Elemente zu vermeiden, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß zumindest einzelne der zweiten Gruppe von Peltier-Elementen höherer Leistung elektrisch durch eine Bypassdiode überbrückt sind, die so gepolt ist, daß bei Heizbetrieb die betreffenden Peltier-Elemente stromlos bleiben. Um weiterhin Temperatur-Spitzen in den Randzonen abzubauen, ist als Ergänzung des Erfindungsgedankens vorgesehen, die Fläche der Zwischenplatte größer als die durch die beiden Flächenanordnungen von Peltier- Elementen eingenommene Gesamtfläche auszubilden, so daß die Zwischenplatte randseitig alle Peltier-Elemente überlappt.

Die US 48 33 889 beschreibt zwar den Aufbau einer Peltier- Kaskade aus Einzelelementen in einer Vielzahl von Ebenen, wobei die speziellen, mit der Erfindung gelösten Probleme dort aber nicht auftreten, als sich der Gegenstand dieses US-Patents nur auf den Kühlbetrieb bezieht. Die GB 22 41 378 A tangiert das spezielle, mit der Erfindung gelöste Problem ebenfalls nicht, da dort nur eine Kühl- oder Heizvorrichtung beschrieben ist, die aus nur einer Ebene von Peltier-Elementen aufgebaut ist.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 den Prinzipaufbau einer thermoelektrischen Heiz- und Kühl kammer mit erfindungsgemäßen Merkmalen;

Fig. 2 eine vorteilhafte Schaltungsmaßnahme zur Vermeidung von Überhitzung der Peltier-Elemente;

Fig. 3 die Schnittdarstellung einer Peltier-Heiz-/Kühlkammer gemäß einem ersten erprobten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

Fig. 4 und 5 die Längsschnitt- und die Querschnittdarstellung einer anderen er probten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Peltier-Heiz-/ Kühlkammer.

Die Prinzip-Schnittdarstellung einer thermoelektrisch betriebenen Heiz- und Kühlkammer gemäß Fig. 1 weist eine Isolierhaube 1 auf, die eine Aufnahmeplatte 2 allseitig dicht sowie einen auf sehr genaue Temperaturkonstanz zu kühlenden bzw. zu erwärmenden Innenraum von typischerweise 3 bis 30 l Rauminhalt gut wärmeisolierend umschließt. Unterhalb der Aufnahmeplatte 2 befindet sich eine erste innere Schichtanordnung von flächenartigen Peltier- Elementen 3 mit vergleichsweise niedriger Leistung, die paßgenau in vorgeform te Vertiefungen einer gut wärmeisolierenden Rahmenplatte eingesetzt sind. In bekannter Weise sind diese Peltier-Elemente in Kaskadenanordnung elektrisch verbunden. Die innere Schicht der ersten Anzahl von Peltier-Elementen 3 nie driger Leistung ist durch eine Zwischenplatte 6, die insbesondere aus span nungsfreiem Aluminiumguß hergestellt ist, von einer zweiten Anzahl von flä chenartigen Peltier-Elementen 4 höherer Leistung getrennt, die ebenfalls paß genau in entsprechende Vertiefungen einer gut wärmeisolierenden weiteren Rahmenplatte eingesetzt sind. Auch diese Peltier-Elemente 4 höherer Leistung sind elektrisch in Kaskade geschaltet und überdies in Kaskadenanordnung mit der ersten Anzahl von Peltier-Elementen 3 geringerer Leistung verbunden. Eine umlaufende, stark isolierende Abdichtung ist mit Bezugshinweis 5 angegeben. Unterhalb des Schichtaufbaus von erster Anzahl von Peltier-Elementen 3, Zwi schenplatte 6 und zweiter Anzahl von Peltier-Elementen 4 ist ein Kühlkörper 7 angebracht, der für einen Abtransport der Wärmeverlustleistung sorgt.

Eine Lage der Peltier-Elemente, beispielsweise die innere Schichtanordnung von Peltier-Elementen 3, kann bis zu zehn Elemente umfassen. Um Temperatur spitzen, insbesondere im Bereich der Randzonen der Peltier-Elemente 3 bzw. 4 zu vermeiden, steht jede Peltier-Elementeschicht mit der gemeinsamen Zwi schenplatte in eng angepaßtem Kontakt, damit der Wärmewiderstand für jedes Element etwa gleich groß ist. Die Zwischenplatte 6 überlappt sämtliche Peltier- Elemente randseitig um mindestens 1 cm. Die befürchtete Überhitzung in den Randzonen der Peltier-Elemente ist damit wirkungsvoll verhindert.

Die Fig. 2 zeigt eine spezielle Schaltungsanordnung für die Kaskadenschaltung von Peltier-Elementen 3 kleinerer und Peltier-Elementen 4 größerer Leistung. Wird die Aufnahmeplatte 2 gekühlt, so transportieren die Peltier-Elemente 3 kleinerer Leistung Wärmeenergie von der Aufnahmeplatte 2 in die Zwischen platte 6. Die Peltier-Elemente 4 höherer Leistung müssen einen Teil ihrer eige nen Verlustleistung und die Verlustleistung der Peltier-Elemente 3 kleinerer Leistung abführen. Aus diesem Grund werden die näher am Kühlkörper 7 ange ordneten Peltier-Elemente 4 höherer Leistung vorteilhafterweise auch flächen mäßig größer ausgelegt.

Beim Heizen läuft der Wärmeenergiefluß entgegengesetzt. Hier besteht jetzt die Gefahr, daß auf der Zwischenplatte 6 ein unzulässiger Wärmestau dadurch ent steht, daß die Peltier-Elemente 3 kleinerer Leistung die wesentlich höhere Ver lustleistung der Peltier-Elemente 4 höherer Leistung nicht wegtransportieren können. Aus diesem Grund wird, wie die Fig. 2 veranschaulicht, parallel zum Stromkreis der Peltier-Elemente 4 höherer Leistung eine Leistungsdiode 10 als Bypass geschaltet. Je nach dem gewünschten Temperaturbereich und in Abhän gigkeit von anderen konstruktiven Parametern kann es auch ausreichend sein, nur einzelne der Peltier-Elemente 4 höherer Leistung mit einer parallel liegen den Bypassdiode zu versehen. Durch diese Schaltungsmaßnahme wird erreicht, daß während der Heiz-Phase nur die Peltier-Elemente 3 kleinerer Leistung ar beiten. Daraus ergibt sich der Vorteil, daß höhere Temperaturen gefahrlos ange steuert werden können.

Die Fig. 3 veranschaulicht in verkleinerter Schnittdarstellung eine erprobte Ausführungsform einer thermoelektrischen Heiz- und Kühlkammer gemäß der Erfindung. Die bereits anhand der Fig. 1 erläuterten Teile und Baugruppen wer den nicht erneut beschrieben. Auf der Oberseite der isolierenden Haube 1 ist ein Sichtfenster 8 vorgesehen. Die jeweilige Rahmenplatte für die Peltier-Elemente 3 bzw. 4 ist mit Bezugshinweis 12 bzw. 11 angegeben. Mittels eines geeichten Temperatursensors 9 läßt sich die Ist-Temperatur im Inneren der Heiz-/Kühl kammer erfassen, um den den Peltier-Elementen 3, 4 zuzuführenden Strom ge nau regeln zu können. Unterhalb des Kühlkörpers 7 zwischen nicht näher be zeichneten Standfüßen sind (im dargestellten Beispiel) zwei flache Axiallüfter 14 vorhanden, um im Bedarfsfall eine ausreichende Abfuhr der Verlustlei stungswärme zu gewährleisten.

Bei der Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Heiz- und Kühlkammer nach den Fig. 4 und 5 ist die Luftströmungskühlung durch den Kühlkörper 7, gegebenenfalls mit Unterstützung der Axiallüfter 14, durch eine Wasserküh lung 15 oder eine Kompressorkühlung kleiner Leistung ersetzt.

Durch die erfindungsgemäße Schichtanordnung mit eng tolerierter gegenseiti ger Anpassung, überlappender Fläche der Zwischenplatte 6 und die spezielle Auswahl und Anordnung von Peltier-Elementen 3 niedrigerer Leistung einer seits und Peltier-Elementen 4 höherer Leistung andererseits wurde erreicht, daß das erfindungsgemäße Gerät über einen wesentlich größeren Temperatur bereich von beispielsweise -15 bis +95°C (luftgekühlt) bzw. -40 bis +95°C (was sergekühlt) betrieben werden kann, der für vergleichbare Kühl-/Heizeinrich tungen dieser Art bisher unbekannt war.

Claims

1. Thermoelektrische, beheizbare Kühlkammer,

- mit einer Isolierhaube (1) und einer mit Peltier- Elementen (3, 4) temperierbaren Grundplatte (2),
- wobei die Peltier-Elemente (3, 4) in zwei Gruppen unterschiedlicher Leistung zusammengefaßt und in einer Kaskadenanordnung elektrisch hintereinandergeschaltet sind,
- und die Peltier-Elemente (3) geringerer Leistung an der Außenseite der Grundplatte (2) in Wärmekontakt anliegen und mit den Peltier-Elementen (4) höherer Leistung über eine gut wärmeleitende Zwischenplatte (6) in Verbindung stehen,
- und wobei die Peltier-Elemente (4) höherer Leistung mit einer an der Außenseite der Kühlkammer angebrachten, wärmeabführenden oder wärmeaufnehmenden Einrichtung (7, 14, 15) in Wärmekontakt stehen, welche die Peltier- Elemente (4) höherer Leistung in sich einschließt,

dadurch gekennzeichnet,

- daß von den Peltier-Elementen (4) höherer Leistung einzelne Peltier-Elemente elektrisch durch jeweils eine Bypassdiode (10) überbrückt sind, welche im Heizbetrieb den Strom an diesen Peltier-Elementen (4) vorbeileitet,
- so daß im Heizbetrieb bevorzugt die Peltier-Elemente (3) geringerer Leistung arbeiten und ein unzulässiger Wärmestau auf der Zwischenplatte (6) vermieden wird.

2. Kühlkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden Gruppen von Peltier-Elementen (3, 4) in Öffnungen einer gut wärmeisolierenden Rahmenplatte (11, 12) eingesetzt ist.

3. Kühlkammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Zwischenplatte (6) aus einem me chanisch spannungsfreien Material besteht.

4. Kühlkammer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenplatte (6) die beiden Gruppen der Peltier-Elemente (3, 4) randseitig überlappt.

5. Kühlkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeabführende oder wärmeaufnehmende Einrichtung (7, 14, 15) die Außenseiten der Rahmenplatten (11, 12) überdeckt.